JP2004512181A

JP2004512181A - Manufacturing method of composite abrasive green compact

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Publication number: JP2004512181A
Application number: JP2002537472A
Authority: JP
Inventors: タンク、クラウス; アディア、モーザ、マホメッド; アキレス、ロイ、デリック; ダニエル、ポール、マカエル
Original assignee: エレメント　シックス　（プロプライエタリイ）リミテッド
Priority date: 2000-10-19
Filing date: 2001-10-15
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2021-10-15
Also published as: EP1330323A2; DE60119558D1; US7074247B2; CA2426532C; CA2426532A1; AU2002212567B2; EP1330323B1; AU1256702A; US20040037948A1; DE60119558T2; KR100783872B1; KR20030070891A; WO2002034437A3; ATE325675T1; JP4203318B2; WO2002034437A2

Abstract

There is provided a method of making a composite abrasive compact which comprises an abrasive compact bonded to a substrate. The abrasive compact will generally be a diamond compact and the substrate will generally be a cemented carbide substrate. The composite abrasive compact is made under known conditions of elevated temperature and pressure suitable for producing abrasive compacts. The method is characterised by the mass of abrasive particles from which the abrasive compact is made. This mass has three regions which are: (i) an inner region, adjacent the surface of the substrate on which the mass is provided, containing particles having at least four different average particle sizes; (ii) an outer region containing particles having at least three different average particle sizes; and (iii) an intermediate region between the first and second regions.

Description

【０００１】
（発明の背景）
本発明は、複合研磨性圧粉体（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅａｂｒａｓｉｖｅｃｏｍｐａｃｔ）の製法に関する。
【０００２】
研磨性圧粉体は、切削、ミリング、研削、穿孔、中ぐり（ｂｏｒｉｎｇ）及び他の研磨操作において広く使用されている。研磨性圧粉体は、結合されて互いに密着している多結晶質団塊になっている、ダイヤモンド又は立方晶窒化ホウ素の諸粒子の集合体から成る。研磨性圧粉体の研磨性粒子含有量は大きく、通常、多量の直接的な粒子−粒子結合が存在する。研磨性圧粉体は、研磨性粒子（それがダイヤモンドであれ立方晶窒化ホウ素であれ）が結晶学的に安定である高温高圧条件の下で造られる。
【０００３】
ダイヤモンドの研磨性圧粉体は多結晶質ダイヤモンド又はＰＣＤとしても知られており、また、立方晶窒化ホウ素の研磨性圧粉体は多結晶質ＣＢＮ又はＰＣＢＮとしても知られている。
研磨性圧粉体は脆い傾向があり、使用中、それら圧粉体は、焼結炭化物の基体又は支持体に接合されることによってしばしば支持される。支持されたそのような研磨性圧粉体は、当該技術では、複合研磨性圧粉体として知られている。複合研磨性圧粉体は、それ自体、研磨用ツールの作業面に使用することができる。
【０００４】
研磨性圧粉体を造る際、単一粒径の粒子、又は種々の粒径の粒子の混合物が使用されることがある。そのような圧粉体の例は、米国特許第４，６０４，１０６号及び同第５，０１１，５１４号明細書に開示されている。
粒径の異なる２つの区域を有する研磨性圧粉体を造ることも知られている。そのような圧粉体の諸例は、米国特許第４，８６１，３５０号及び同第４，３１１，４９０号明細書に記載されている。
【０００５】
欧州特許第０６２６２３６号明細書は、研磨性圧粉体の製法であって、超硬研磨性粒子の集合体を、研磨性圧粉体を製造するのに適した高温高圧条件に付す工程であって、その集合体が、少なくとも２５質量％の、１０〜１００μｍの範囲の平均粒径を有し且つ少なくとも３つの異なる粒径を有する粒子から成る超硬研磨性粒子と、少なくとも４質量％の、１０μｍ未満の平均粒径を有する超硬研磨性粒子とによって特徴付けられる該工程を包含する上記製法を記載する。従って、粒子の混合物は、４つの異なる粒径の粒子を含有する。その明細書には、旋回試験及び形削り試験のために、研磨性圧粉体を製造する際、そのような粒子混合物を使用することの利点が記載されている。
【０００６】
欧州特許第０６２６２３７号明細書は、研磨性圧粉体の製法であって、超硬研磨性粒子の集合体を、研磨性圧粉体を製造するのに適した高温高圧条件に付す工程であって、その集合体が、２０μｍ未満の平均粒径を有し且つ３つの異なる平均粒径を有する粒子から成る超硬研磨性粒子によって特徴付けられる該工程を包含する上記製法を開示する。
【０００７】
上述のタイプの複合研磨性圧粉体は、種々の用途に使用される。そのような用途の１つは、ドリル用ビットのためのインサートとしてのものである。そのようなビットには、パーカッションビット、ローリングコーンビット、及びドラッグビット（ｄｒａｇｂｉｔｓ）が含まれる。ドリル用ビットに関しては、ダイヤモンド圧粉体層は通常、相当に厚い（例えば、５ｍｍまでの厚さを有する）。複合ダイヤモンド圧粉体を製造する場合、そのダイヤモンド圧粉体層に応力が生じる。これらの応力は、一つには、ダイヤモンド層と基体の間の熱膨張係数の差異によって生じる。そのような応力は、幾つかの問題を引き起こす。例えば、ダイヤモンド層の基体からの剥離が、複合ダイヤモンド圧粉体がツールの作業面にろう付けされている場合に生じることがある。更に、ダイヤモンド層中の応力は、使用中、ダイヤモンド層のスポーリング（ｓｐａｌｌｉｎｇ）又はチッピングを引き起こすことがある。
【０００８】
（発明の概要）
本発明による、基体（通常、焼結炭化物の基体）に結合されている研磨性圧粉体を含有する複合研磨性圧粉体を製造する方法は、基体の表面に超硬研磨性粒子の集合体を与えて、未結合アセンブリーを形成する工程と；研磨性圧粉体を造るのに適した高温高圧条件に、前記未結合アセンブリーを付す工程と；を包含し、しかも、前記の超硬研磨性粒子の集合体は、３つの領域：
（ｉ）前記集合体が与えられている前記基体の表面に隣接している内側領域であって、少なくとも４つの異なる平均粒径を有する粒子を含有する該内側領域；
（ｉｉ）少なくとも３つの異なる平均粒径を有する粒子を含有する外側領域；及び
（ｉｉｉ）前記の第１の領域と第２の領域の間の中間領域；
によって特徴付けられる。
【０００９】
本発明の方法は、少なくとも３つの領域を有する超硬研磨性粒子の集合体を利用し、内側領域及び外側領域はそれらの粒径の構成が互いに異なる。内側領域の粒子は通常、外側領域の粒子よりも粗い。
内側領域には通常、１００μｍ以下の粒径を有する諸粒子が存在する。外側領域の粒子は通常、２５μｍ以下の粒径を有する。
【００１０】
内側領域は、少なくとも４つの異なる平均粒径を有する粒子を含有する。６つの異なる平均粒径を有する集合体を含むことが、この領域にとってとりわけ適切であることがわかった。
外側領域は、少なくとも３つの異なる平均粒径を有する粒子を含有し、それら粒子は全て通常、微細である。従って、この領域によって、強靭で耐磨耗性且つ研磨性の領域で造られた圧粉体が提供される。
【００１１】
中間領域は、２つ以上の領域又は層であって、各々の領域又は層は粒径の構成が他の領域又は層のものと異なる該領域又は層を含有することがある。
中間領域は通常、外側領域と内側領域の両方と接触している。
それら領域は通常、層として規定される。
粒子の集合体が与えられている基体表面は、平面であるか、湾曲しているか、又はプロフィールを持った形状（ｐｒｏｆｉｌｅｄ）であることがある。
【００１２】
（諸態様の記載）
超硬研磨性粒子は、ダイヤモンド又は立方晶窒化ホウ素である場合があり、好ましくはダイヤモンド粒子である。そのダイヤモンドは天然のものでも、合成のものでも、又はそれらの混合物でもよい。
超硬研磨性粒子集合体は、研磨性圧粉体を造るのに必要な既知の高温高圧条件に付す。これらの条件は典型的には、それら研磨性粒子自体を合成するのに必要な条件である。通常、使用圧力は、４〜７ＧＰａの範囲であり、使用温度は、１３００℃〜１６００℃の範囲である。研磨性圧粉体を造る間に、該圧粉体は基体に接合される。
【００１３】
本発明の方法によって造られる研磨性圧粉体には通常、結合剤を存在させるのが好ましい。結合剤は、使用される超硬研磨性粒子のための溶媒／触媒であるのが好ましい。ダイヤモンド及び立方晶窒化ホウ素のための溶媒／触媒は、当該技術では周知である。ダイヤモンドの場合、結合剤は、コバルト；鉄；ニッケル；又はこれら金属の１種以上を含有する合金；であるのが好ましい。
結合剤を使用するとき、とりわけ、ダイヤモンド圧粉体の場合、圧粉体を造る間、結合剤を研磨性粒子の集合体に浸透させることがある。この目的のために、結合剤のシム（ｓｈｉｍ）又は層を使用することができる。基体表面にこのシム又は層を置き、シム又は層の上に超硬研磨性粒子の集合体を置くことができる。もう一つの方法として、結合剤は、粒子状形態であり、それら研磨性粒子の集合体と混合するのが好ましい。結合剤は典型的には、製造される研磨性圧粉体の２〜２５質量％の量で存在する。
【００１４】
基体は、焼結炭化物（例えば、焼結炭化タングステン、焼結炭化タンタル、焼結炭化チタン、焼結炭化モリブデン、又はそれらの混合物）の基体であるのが好ましい。そのような炭化物のための結合金属（ｂｉｎｄｅｒｍｅｔａｌ）は、当該技術で知られている如何なるもの、例えば、ニッケル；コバルト；鉄；又はこれら金属の１種以上を含有する合金でもよい。この結合剤は典型的には、１０〜２０質量％の量で存在するが、結合剤は６質量％程の少ない量で存在することもある。圧粉体を形成する間、結合金属の幾分かは研磨性圧粉体に浸透することがある。
本発明の方法は、圧粉体を造るのに使用される研磨性粒子の集合体に３つの異なる領域の研磨性粒子を使用することによって特徴付けられる。これらの領域、又は少なくとも内側領域及び外側領域は、拡大すれば、焼結済み圧粉体中で識別することができる。
【００１５】
内側領域及び外側領域は、それらの粒径の構成が互いに異なる粒子を含有する。中間領域はまた、そのような粒子の混合物を含有するのが好ましい。用語「平均粒径」は、特定される粒径よりも大きい粒子も、特定される粒径よりも小さい粒子も存在するものの、大部分の量の粒子は、特定される粒径に近いことを意味する。粒子分布のピークは、特定される粒径を有する。従って、例えば、平均粒径が１０μｍであれば、１０μｍより大きい粒子も１０μｍ未満の粒子も存在するであろうが、大部分の粒子は粒径が約１０μｍであり、また、粒子分布のピークは、約１０μｍである。
【００１６】
内側領域は、少なくとも４つの異なる平均粒径を有する粒子を含有する。この領域では好ましくは、（ｉ）大部分の粒子が、１０〜１００μｍの範囲の平均粒径を有し、且つ、少なくとも３つの異なる平均粒径から成り；しかも、（ｉｉ）粒子の少なくとも４質量％が１０μｍ未満の平均粒径を有する。
粒子（ｉ）は次の構成：

を有するのが好ましい。
【００１７】
内側領域のための、とりわけ有用な、粒子の構成の例は：

である。
【００１８】
少なくとも４つの異なる粒径を有する、内側領域のための粒子混合物によって、圧粉体及び基体のための優れた結合領域が与えられることが見出された。基体に対する強い結合が得られ、また、増大し得るミスマッチ応力（ｍｉｓ−ｍａｔｃｈｓｔｒｅｓｓｅｓ）は最小となる。この領域の厚さは、焼結済み研磨性圧粉体において、典型的には０．５〜３ｍｍとする。
外側領域は、焼結済み研磨性圧粉体に切削表面又は刃先（ｅｄｇｅ）を与える領域である。この領域の研磨性粒子の集合体は、少なくとも３つの異なる粒径を有することによって特徴付けられる。この領域の粒子は、２５μｍを超えない平均粒径を持つことが好ましい。
【００１９】
この混合物の研磨性粒子の構成の例は：

である。
【００２０】
外側領域のために有用な具体的な構成の例は：
構成１

構成２

である。
【００２１】
焼結済み研磨性圧粉体での外側領域は典型的には、０．５〜３ｍｍの厚さを有するようにする。
中間領域は、平均粒径の異なる研磨粒子の混合物を含有するのが好ましい。その混合物は、典型的には少なくとも２つの異なる平均粒径を有し、好ましくは４つの異なる平均粒径を有する。中間層のための適切な構成の例は：

である。
【００２２】
中間領域はそれ自体、２つ以上の領域又は層を含有することがある。例えば、中間領域は、それぞれ平均粒径が異なる３つの層を有することがある。
中間領域、又は該中間領域の各々の層若しくは領域は通常、薄くて、焼結済み研磨性圧粉体で典型的には０．３ｍｍ未満の厚さを有する。この領域は、圧粉体を造る間、内側領域と外側領域とを合体させることがあるか、又は、焼結済み圧粉体中で別個の層として残存することがある。
【００２３】
中間領域が２つ以上の領域又は層を含有するとき、内側領域と接触している層は典型的には、上記で確認したような構成を有し、また、第１の層の上にある第２の層は典型的には

の構成を有するようにする。
【００２４】
研磨性粒子の集合体が置かれる基体表面は、平面であるか、湾曲しているか、又はそうでなければ、プロフィールを持った形状（ｐｒｏｆｉｌｅｄ）であることがある。本発明は、欧州特許公報Ｎｏ．０９４１７９１に例示され記載されているタイプの、研磨性圧粉体と基体の間のプロフィールを持った形状の境界面を有する複合研磨性圧粉体を造る特殊用途を有する。
【００２５】
次に、図１〜図５を参照しつつ、本発明の諸態様を記載する。先ず、図１に関連し、複合研磨性圧粉体を造るのに適した未結合アセンブリーは、焼結済み炭化物基体１２の表面１４の上に置かれた、研磨性粒子の層１０を有する。層１０は、３つの領域、即ち、内側領域１６、中間領域１８及び外側領域２０を有する。それら領域は、上述のように、それらの粒径の構成が異なっている。未結合アセンブリーは、従来の高温／高圧装置の反応帯域に置かれ、適切な高温／高圧焼結条件に付す。生成される生成物は、境界面１４に沿って基体１２に結合されているダイヤモンド圧粉体層１０である。ダイヤモンド圧粉体層は、３つの領域又は層１６、１８及び２０を有する。造られた圧粉体層１０の周辺エッジ２２は、圧粉体の切削端（ｃｕｔｔｉｎｇｅｄｇｅ）を与える。
【００２６】
第２の態様を図２に例示する。この図に関連し、研磨性粒子層３０は、焼結炭化物の基体３２の表面３４の上に置かれている。表面３４はプロフィールを持った形状である。研磨性粒子層３０は、３つの領域、即ち、内側領域３６、中間領域３８及び外側領域４０を有する。これら領域は、上述のように、それらの粒径の構成が異なっている。図２の未結合アセンブリーから造られる複合研磨性圧粉体は、本質的に同じ構造（即ち、境界面３４に沿って基体３２に結合されている研磨性圧粉体層３０）を有する。研磨性圧粉体層の周辺エッジ４２は、圧粉体の切削端を与える。
図３の態様は、表面３４が異なる輪郭を有することを除き、図２の態様と同様である。図３の類似部品は、図２の部品と同一の数字を持っている。
【００２７】
更なる態様を図４に例示する。この図に関連し、研磨性粒子層５０は、焼結炭化物の基体５４の表面５２の上に置かれている。研磨性粒子層５０は、３つの領域、即ち、内側領域５６と中間領域５８と外側領域６０とを有する。内側領域５６及び外側領域６０は、上述のような、粒径の構成を有する。中間領域は、例示した他の諸態様とは対照的に、接触している３つの別々の層６２、６４及び６６から成っている。これらの層の各々の、粒径の構成は、互いに相違する。図４の未結合アセンブリーから造られる複合研磨性圧粉体は、境界面５２に沿って焼結炭化物の基体５４に接合されている研磨性圧粉体層５０を有するものである。研磨性圧粉体層の周辺エッジ６８は、圧粉体のための切削端を与える。
【００２８】
上述の諸態様において、それら切削端には、面（ｃｈａｍｆｅｒ）、丸み（ｒａｄｉｕｓ）、又はそうでなければ破断エッジ（ｂｒｏｋｅｎｅｄｇｅ）を与えることができる。
本発明の更にもう一つの態様は、図５に例示する。この図に関連し、研磨性粒子層７０は、焼結炭化物の基体７４の、湾曲した上部表面７２の上に置かれている。研磨性粒子層７０は、内側領域７６、中間領域７８及び外側領域８０を有する。内側領域７６及び外側領域８０は、上述のような、粒径の構成を有する。中間領域７８は、２つの層８２及び８４を有し、それらの構成は、２つの層を有する中間領域のために上述したタイプのものであることがある。図５によって例示される未結合アセンブリーから造られる複合研磨性圧粉体は、境界面７２に沿って焼結炭化物の基体７４に結合されているダイヤモンド圧粉体層７０を有する。複合研磨性圧粉体は弾丸形状を有し、該圧粉体のための切削端を与えるのは、研磨性圧粉体層の湾曲した外側表面８６である。
【００２９】
本発明の方法によって製造される複合研磨性圧粉体は、広範囲に渡る用途、例えば、穿孔、切削、ミリング、研削、中ぐり、及び他の研磨操作を有する。一層詳しく言えば、複合研磨性圧粉体は、パーカッションドリル、ローリングコーンビット、及びドラッグビットのためのインサートとしての用途を有する。そのような用途では、できるだけ厚い圧粉体層を有することが望ましい。そのような諸圧粉体を製造するとき、上述のような、異なる粒径の構成の諸領域を使用すれば、製造中、そのような圧粉体層の中に創り出される内部応力によって、そのような複合研磨性圧粉体が剥落するか、層間剥離するか、又はそうでなければ崩壊する傾向が著しく減少する。中間領域が１つの層であろうと、それより多くの層であろうと、種々の形態の材料（即ち、種々の領域において異なる粒径）を使用することにより、その圧粉体内部の残留応力を最小限に抑え、このようにして、該圧粉体の強靭性が確保される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の方法で使用される未結合アセンブリーの態様の側断面図である。
【図２】
本発明の方法で使用される未結合アセンブリーの異なる態様の側断面図である。
【図３】
本発明の方法で使用される未結合アセンブリーの異なる態様の側断面図である。
【図４】
本発明の方法で使用される未結合アセンブリーの異なる態様の側断面図である。
【図５】
本発明の方法で使用される未結合アセンブリーの異なる態様の側断面図である。[0001]
(Background of the Invention)
The present invention relates to a method for producing a composite abrasive compact.
[0002]
Abrasive green compacts are widely used in cutting, milling, grinding, drilling, boring and other polishing operations. Abrasive green compacts are composed of aggregates of diamond or cubic boron nitride particles that are bonded together to form coherent polycrystalline nodules. Abrasive green compacts have a high abrasive particle content and usually have a large amount of direct particle-particle bonding. Abrasive green compacts are made under high temperature and pressure conditions where the abrasive particles (whether diamond or cubic boron nitride) are crystallographically stable.
[0003]
The abrasive green compact of diamond is also known as polycrystalline diamond or PCD, and the abrasive green compact of cubic boron nitride is also known as polycrystalline CBN or PCBN.
Abrasive green compacts tend to be brittle, and in use they are often supported by being joined to a cemented carbide substrate or support. Such supported abrasive compacts are known in the art as composite abrasive compacts. The composite abrasive green compact itself can be used on the working surface of a polishing tool.
[0004]
In making abrasive compacts, particles of a single particle size or a mixture of particles of various particle sizes may be used. Examples of such compacts are disclosed in U.S. Pat. Nos. 4,604,106 and 5,011,514.
It is also known to produce abrasive green compacts having two zones with different particle sizes. Examples of such compacts are described in U.S. Pat. Nos. 4,861,350 and 4,311,490.
[0005]
EP 0 626 236 is a method for producing an abrasive compact, which comprises subjecting an aggregate of ultra-hard abrasive particles to high-temperature and high-pressure conditions suitable for producing an abrasive compact. Wherein the aggregate comprises at least 25% by weight of ultra-hard abrasive particles comprising particles having an average particle size in the range of 10-100 μm and having at least three different particle sizes, and at least 4% by weight of The above process is described, comprising said step characterized by ultra-hard abrasive particles having an average particle size of less than 10 μm. Thus, a mixture of particles contains particles of four different particle sizes. The specification describes the advantages of using such a particle mixture in producing abrasive green compacts for swirling and shaping tests.
[0006]
EP 0 626 237 describes a method for producing an abrasive compact, which comprises subjecting an aggregate of ultra-hard abrasive particles to high-temperature, high-pressure conditions suitable for producing an abrasive compact. Thus, there is disclosed the above process comprising the step wherein the assemblage is characterized by carbide abrasive particles having an average particle size of less than 20 μm and consisting of particles having three different average particle sizes.
[0007]
Composite abrasive compacts of the type described above are used for various applications. One such application is as an insert for a drill bit. Such bits include percussion bits, rolling cone bits, and drag bits. For drill bits, the diamond compact layer is typically significantly thicker (eg, having a thickness of up to 5 mm). When producing a composite diamond compact, stress occurs in the diamond compact layer. These stresses are caused, in part, by differences in the coefficient of thermal expansion between the diamond layer and the substrate. Such stress causes several problems. For example, delamination of the diamond layer from the substrate may occur when the composite diamond compact is brazed to the working surface of the tool. In addition, stress in the diamond layer can cause spalling or chipping of the diamond layer during use.
[0008]
(Summary of the Invention)
According to the present invention, a method for producing a composite abrasive green compact containing an abrasive green compact bonded to a substrate (usually a cemented carbide substrate) comprises a method of assembling superhard abrasive particles on a surface of the substrate. Providing a body to form an unbonded assembly; and subjecting the unbonded assembly to high-temperature, high-pressure conditions suitable for producing an abrasive compact, and wherein the ultra-hard polishing is performed. The aggregate of sexual particles consists of three areas:
(I) an inner region adjacent to a surface of the substrate on which the aggregate is provided, the inner region containing particles having at least four different average particle sizes;
(Ii) an outer region containing particles having at least three different average particle sizes; and (iii) an intermediate region between said first and second regions;
Characterized by
[0009]
The method of the present invention utilizes an aggregate of ultra-hard abrasive particles having at least three regions, wherein the inner region and the outer region differ from each other in their particle size configuration. The particles in the inner region are usually coarser than the particles in the outer region.
Particles having a particle size of typically less than 100 μm are present in the inner region. The particles in the outer region usually have a particle size of 25 μm or less.
[0010]
The inner region contains particles having at least four different average particle sizes. Including aggregates having six different average particle sizes has been found to be particularly suitable for this region.
The outer region contains particles having at least three different average particle sizes, all of which are usually fine. Thus, this region provides a green compact made in the tough, wear-resistant and abrasive region.
[0011]
The intermediate region is two or more regions or layers, each region or layer may contain that region or layer in which the composition of the particle size differs from that of the other regions or layers.
The middle region is usually in contact with both the outer and inner regions.
These areas are usually defined as layers.
The substrate surface on which the aggregate of particles is provided may be planar, curved, or profiled.
[0012]
(Description of various aspects)
The superhard abrasive particles may be diamond or cubic boron nitride, and are preferably diamond particles. The diamond may be natural, synthetic, or a mixture thereof.
The superhard abrasive particle aggregate is subjected to the known high temperature and high pressure conditions necessary to produce an abrasive green compact. These conditions are typically the conditions necessary to synthesize the abrasive particles themselves. Normally, the working pressure is in the range of 4-7 GPa, and the working temperature is in the range of 1300C-1600C. During the production of the abrasive compact, the compact is bonded to the substrate.
[0013]
Generally, it is preferred that a binder is present in the abrasive green compact produced by the method of the present invention. The binder is preferably a solvent / catalyst for the hard abrasive particles used. Solvents / catalysts for diamond and cubic boron nitride are well known in the art. In the case of diamond, the binder is preferably cobalt; iron; nickel; or an alloy containing one or more of these metals.
When a binder is used, especially in the case of diamond compacts, the binder may penetrate the aggregate of abrasive particles during the production of the compact. For this purpose, a shim or layer of a binder may be used. This shim or layer can be placed on the surface of the substrate, and the aggregate of ultrahard abrasive particles can be placed on the shim or layer. Alternatively, the binder is in particulate form and is preferably mixed with an aggregate of the abrasive particles. The binder is typically present in an amount of from 2 to 25% by weight of the abrasive compact to be produced.
[0014]
Preferably, the substrate is a substrate of a sintered carbide (eg, sintered tungsten carbide, sintered tantalum carbide, sintered titanium carbide, sintered molybdenum carbide, or a mixture thereof). The binder metal for such carbides may be any known in the art, for example, nickel; cobalt; iron; or an alloy containing one or more of these metals. The binder is typically present in an amount of from 10 to 20% by weight, but the binder may be present in as little as 6% by weight. During formation of the green compact, some of the bonding metal may penetrate the abrasive green compact.
The method of the present invention is characterized by using three different regions of abrasive particles in the aggregate of abrasive particles used to make the green compact. These areas, or at least the inner and outer areas, can be identified in the sintered compact when enlarged.
[0015]
The inner and outer regions contain particles that differ in their particle size configuration. The intermediate region also preferably contains a mixture of such particles. The term `` average particle size '' means that although some particles are larger than the specified particle size and some particles are smaller than the specified particle size, the majority of particles are close to the specified particle size. means. The peak in the particle distribution has the specified particle size. Thus, for example, if the average particle size is 10 μm, there will be particles larger than 10 μm and particles smaller than 10 μm, but most particles have a particle size of about 10 μm, and the peak of the particle distribution is , About 10 μm.
[0016]
The inner region contains particles having at least four different average particle sizes. Preferably in this region, (i) the majority of the particles have an average particle size in the range of 10 to 100 μm and consist of at least three different average particle sizes; and (ii) at least 4 mass of the particles % Have an average particle size of less than 10 μm.
Particles (i) have the following structure:

It is preferred to have
[0017]
Examples of particularly useful particle configurations for the inner region are:

It is.
[0018]
It has been found that a particle mixture for the inner region, having at least four different particle sizes, provides an excellent bonding area for the green compact and the substrate. A strong bond to the substrate is obtained, and the potential for increased mismatch-match stresses is minimized. The thickness of this region is typically 0.5 to 3 mm in the sintered abrasive compact.
The outer region is the region that gives the sintered abrasive compact a cutting surface or edge. The aggregate of abrasive particles in this region is characterized by having at least three different particle sizes. The particles in this region preferably have an average particle size not exceeding 25 μm.
[0019]
Examples of the composition of the abrasive particles of this mixture are:

It is.
[0020]
Examples of specific configurations useful for the outer region are:
Configuration 1

Configuration 2

It is.
[0021]
The outer region on the sintered abrasive compact typically has a thickness of 0.5 to 3 mm.
The intermediate region preferably contains a mixture of abrasive particles having different average particle sizes. The mixture typically has at least two different average particle sizes, and preferably has four different average particle sizes. Examples of suitable configurations for the middle layer are:

It is.
[0022]
The intermediate region may itself contain more than one region or layer. For example, the intermediate region may have three layers, each having a different average particle size.
The intermediate region, or each layer or region of the intermediate region, is typically thin and has a thickness of less than 0.3 mm of sintered abrasive compact. This region may coalesce the inner and outer regions during the production of the green compact or may remain as a separate layer in the sintered green compact.
[0023]
When the intermediate region contains more than one region or layer, the layer in contact with the inner region typically has a configuration as identified above and is above the first layer The second layer is typically

Having the configuration of
[0024]
The substrate surface upon which the aggregate of abrasive particles is placed may be flat, curved, or otherwise profiled. The present invention is disclosed in European Patent Publication No. It has particular application in making composite abrasive green compacts having a profiled interface between an abrasive green compact and a substrate of the type illustrated and described in WO 9417991.
[0025]
Next, various aspects of the present invention will be described with reference to FIGS. First, referring to FIG. 1, an unbonded assembly suitable for making a composite abrasive green compact has a layer 10 of abrasive particles placed on a surface 14 of a sintered carbide substrate 12. Layer 10 has three regions, an inner region 16, a middle region 18, and an outer region 20. These regions differ in the composition of their particle size, as described above. The unbonded assembly is placed in the reaction zone of a conventional high temperature / high pressure apparatus and subjected to appropriate high temperature / high pressure sintering conditions. The resulting product is a diamond compact layer 10 bonded to a substrate 12 along an interface 14. The diamond compact layer has three regions or layers 16, 18, and 20. The peripheral edge 22 of the formed green compact layer 10 provides a cutting edge of the green compact.
[0026]
The second embodiment is illustrated in FIG. Referring to this figure, an abrasive particle layer 30 is placed on a surface 34 of a cemented carbide substrate 32. The surface 34 is shaped with a profile. The abrasive particle layer 30 has three regions, an inner region 36, a middle region 38, and an outer region 40. These regions differ in the composition of their particle sizes, as described above. The composite abrasive green compact made from the unbonded assembly of FIG. 2 has essentially the same structure (i.e., abrasive green compact layer 30 bonded to substrate 32 along interface 34). The peripheral edge 42 of the abrasive compact layer provides a cutting edge for the compact.
The embodiment of FIG. 3 is similar to the embodiment of FIG. 2, except that the surface 34 has a different profile. The similar parts in FIG. 3 have the same numbers as the parts in FIG.
[0027]
A further embodiment is illustrated in FIG. With reference to this figure, an abrasive particle layer 50 is placed on a surface 52 of a cemented carbide substrate 54. The abrasive particle layer 50 has three regions, an inner region 56, a middle region 58, and an outer region 60. The inner region 56 and the outer region 60 have a particle size configuration as described above. The intermediate region, in contrast to the other embodiments illustrated, consists of three separate layers 62, 64 and 66 in contact. The composition of the particle size of each of these layers is different from each other. The composite abrasive green compact made from the unbonded assembly of FIG. 4 has an abrasive green compact layer 50 bonded to a cemented carbide substrate 54 along an interface 52. The peripheral edge 68 of the abrasive compact layer provides a cutting edge for the compact.
[0028]
In the embodiments described above, the cut edges can be provided with a chamfer, a radius, or otherwise a broken edge.
Yet another embodiment of the present invention is illustrated in FIG. Referring to this figure, an abrasive particle layer 70 is placed on a curved upper surface 72 of a cemented carbide substrate 74. The abrasive particle layer 70 has an inner region 76, a middle region 78, and an outer region 80. The inner region 76 and the outer region 80 have a particle size configuration as described above. Intermediate region 78 has two layers 82 and 84, the configuration of which may be of the type described above for a two-layer intermediate region. The composite abrasive green compact made from the unbonded assembly illustrated by FIG. 5 has a diamond compact layer 70 bonded to a cemented carbide substrate 74 along an interface 72. The composite abrasive green compact has a bullet shape, and it is the curved outer surface 86 of the abrasive green compact layer that provides a cutting edge for the green compact.
[0029]
The composite abrasive green compacts produced by the method of the present invention have a wide range of applications, such as drilling, cutting, milling, grinding, boring, and other polishing operations. More particularly, the composite abrasive green compact has application as an insert for percussion drills, rolling cone bits, and drag bits. In such applications, it is desirable to have the green compact layer as thick as possible. When producing such green compacts, the use of regions of different particle size configurations, as described above, may result in internal stresses being created in such green compact layers during manufacture, thereby increasing the The tendency of such composite abrasive compacts to flake, delaminate, or otherwise collapse is significantly reduced. Regardless of whether the intermediate region is one layer or more, the use of different forms of material (ie, different grain sizes in different regions) reduces residual stresses within the compact. It is minimized, thus ensuring the toughness of the green compact.
[Brief description of the drawings]
FIG.
FIG. 4 is a side cross-sectional view of an embodiment of an unbonded assembly used in the method of the present invention.
FIG. 2
FIG. 4 is a side cross-sectional view of a different embodiment of the unbonded assembly used in the method of the present invention.
FIG. 3
FIG. 4 is a side cross-sectional view of a different embodiment of the unbonded assembly used in the method of the present invention.
FIG. 4
FIG. 4 is a side cross-sectional view of a different embodiment of the unbonded assembly used in the method of the present invention.
FIG. 5
FIG. 4 is a side cross-sectional view of a different embodiment of the unbonded assembly used in the method of the present invention.

Claims

Providing an aggregate of ultra-hard abrasive particles on the surface of the substrate to form an unbonded assembly; and subjecting the unbonded assembly to high-temperature, high-pressure conditions suitable for producing an abrasive green compact; A method for producing a composite abrasive green compact comprising an abrasive green compact bonded to a substrate, wherein the aggregate of ultra-hard abrasive particles comprises three regions:
(I) an inner region adjacent to the surface of the substrate on which the aggregate is provided, the inner region containing particles having at least four different average particle sizes;
(Ii) an outer region containing particles having at least three different average particle sizes; and (iii) an intermediate region between said first and second regions;
The above production method, characterized by the above.

2. The method of claim 1, wherein the particles in the inner region are coarser than the particles in the outer region.

The method according to claim 1 or 2, wherein the particles in the inner region have a particle size of 100 μm or less.

The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the particles in the outer region have a particle size of 25 m or less.

The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the intermediate region has two or more regions or layers, each region or layer having a different particle size composition from those of the other regions or layers. .

The method according to claim 1, wherein the intermediate region is in contact with both the outer region and the inner region.

The method according to claim 1, wherein the regions are in the form of a layer.

The method according to any one of the preceding claims, wherein the substrate surface on which the aggregate of particles is provided is planar, curved or profiled in shape.

9. A method according to any one of claims 1 to 8, wherein the substrate surface is provided with a shim or layer of a binder for the abrasive green compact, and then the aggregate of carbide abrasive particles is placed on the shim or layer. The method described in.

10. The method according to any one of the preceding claims, wherein the binder for the abrasive green compact is in particulate form and is mixed with an aggregate of ultra-hard abrasive particles.

The method according to claim 9 or 10, wherein the binder is provided in an amount sufficient to provide an abrasive green compact produced with a binder content of 2 to 25% by weight.

The method according to claim 1, wherein the substrate is a cemented carbide substrate.

The method according to any of the preceding claims, wherein the conditions of high temperature and high pressure are a pressure in the range of 4-7 GPa and a temperature in the range of 1300C-1600C.

The composition of the particle size in the inner region is:
(I) the majority of the particles have an average particle size in the range of 10-100 μm and consist of at least three different average particle sizes; and (ii) at least 4% by weight of the particles have an average particle size of less than 10 μm The method according to claim 1, wherein the method has a diameter.

The composition of the particle size in the inner region is:

The method according to any one of claims 1 to 14, wherein

The composition of the particle size in the outer region is:

The method according to any one of claims 1 to 15, wherein

A method of making a composite abrasive green compact substantially as herein described with reference to any one of FIGS. 1-4 of the accompanying drawings.